黄土隧道洞口山体稳定性评价关键技术
2020-04-07张乾坤谢明皆罗龙王秉勇赵子傲
张乾坤 谢明皆 罗龙 王秉勇 赵子傲
(1.中国铁道科学研究院研究生部,北京 100081;2.中铁科学研究院有限公司深圳分公司,广东深圳 518000;3.中铁西北科学研究院有限公司,兰州 730000;4.中国地质大学(武汉)地理与信息工程学院,武汉 430074)
我国地域辽阔,地质条件复杂,地质灾害也较为广泛。滑坡是山区铁路隧道最有害、最普遍的地质灾害之一[1]。随着我国高速铁路建设的蓬勃发展,高速铁路隧道山体滑坡越来越多。高速铁路隧道洞口浅埋段浅层滑坡致使隧道无法正常进洞施工,会对后期运营安全造成巨大隐患。大量学者对隧道洞口山坡滑坡问题进行了许多研究。王国欣等[2]以浙江省杭千高速公路横路头隧道洞口为例,从地质因素、水的作用及人为因素3个方面分析了滑坡产生的机制;尉学勇等[3]针对汕昆高速公路乌沙隧道出口滑坡重点分析了仰坡滑坡和右侧滑坡的相互作用关系、滑坡形成的内因和外因,采用抗滑桩、异形桩间挡板、钢管桩等措施进行综合治理,取得了良好的效果;刘宇平等[4]从地质条件、降雨及施工扰动的影响方面分析了滑坡发生的原因,给出了隧道洞口内外结合的综合施工技术方案,阐述了洞内外施工工艺,通过监控量测数据结果证明了整治方案效果显著。李晓旭[5]以大营神池高速公路温岭隧道滑坡为例,探讨了滑坡产生的原因,提出了综合加固治理方案,并通过有限元计算验证了预期效果;王亚琼等[6]分析了平阿高速公路青沙山隧道滑坡的变形原因和稳定性,提出了具有针对性的治理方案,并对滑坡体和隧道结构进行了系统监测和动态反馈。许淑珍等[7]总结了青兰高速公路青皮塔隧道纵环向注浆联合支护施工技术,并验证了该方案可以有效提高黄土隧道围岩的稳定性;杨小刚等[8]以叙大铁路佘家坡隧道洞口滑坡为例,分析了滑坡成因及稳定性,并对采用的滑坡坡脚回填反压、滑坡下部设置抗滑桩等综合治理措施的效果进行了分析;杨建民[9]通过大规模现场试验和理论分析,对以张茅隧道为代表的郑西高速铁路大断面黄土隧道群建设成套技术进行了研究;贺廷西等[10]对石太客运专线南庄隧道出口段采用了围岩预加固及辅助施工措施,并通过监控量测数据,有效地控制了大断面黄土隧道围岩的变形。
虽然上述研究和工程案例实践对于隧道洞口滑坡治理取得了一些理论和经验成果,但是由于隧道洞口滑坡自身特征、地形地质条件和周围环境的差异性,盲目地采取工程措施进行滑坡治理,往往会造成一定的损失。本文以一客运专线黄土隧道洞口山体滑坡为例,从地形地貌、滑坡形态、施工影响、过程管理等方面对滑坡原因进行初步分析,总结关于黄土隧道洞口边坡稳定性分析经验和管控技术要点,研究成果可为同类黄土隧道洞口滑坡治理提供一定的参考。
1 工程概况
该客运专线隧道地处于黄土高原梁峁区,全长961 m,洞身埋深100~150 m,隧道出口位于黄土梁坡脚部位。
洞身穿过地层主要为第四系上更新统风积砂质黄土和中更新统黏质黄土,主应力σ0=150~180 kPa。出口端表层砂质黄土为松软土,层厚15~20 m。
隧道出口端原始地貌简单,但山坡较为陡峭,进洞措施为拱部一环ϕ108管棚,临时仰坡采用锚喷网防护。
1.1 进洞施工
由于仰坡原始地面较陡,施工中本着不扰动原山坡的原则没有进行仰坡刷方,直接在原地面按设计方案进行仰坡加固和施作截排水工程。为保证进洞安全,在开挖前先行施作了10 m的防护棚洞(钢架喷混凝土),同时在出口右侧对原始地表的水坑进行了回填反压,坡脚部位反压土体的高度约2 m。
1.2 山体滑坡情况
隧道出口端进洞掘进523 m时,于某日凌晨整个仰坡发生大面积滑动,坍体掩埋洞口,所幸救援得力,被封洞内5人成功获救。
根据该黄土隧道仰坡滑动后的现场调查,通过必要的边坡稳定性分析,结合国内部分隧道仰坡发生失稳的案例,论述仰坡稳定性分析的关键环节和相关的处置方法。
2 原因分析
2.1 地形地貌
该客运专线隧道出口位于黄土梁西面坡的坡脚处,该坡坡面完整,但相对较陡峭,没有陷穴及明显的冲沟,由此表明该山坡历史上未曾出现过类似地质灾害。出口处地面为洪亮营河洪积平原,紧邻洞口的洪亮营河河床在干旱季节可见大小不一的水洼,洞口处黄土山体坡脚受到地下水的作用和冬春之交的冻融作用影响[1]。另外,当地村民在隧道出口右侧坡脚曾设一个砖厂,而洞口右侧较远处山体为砖厂取土场,施工早期已经对坡脚切削,洞口位置的切削比较轻微,破坏了黄土边坡的自然稳定状态,影响了边坡稳定性。整体形貌见图1。
图1 隧道出口地形
隧道进洞前未扰动原始边坡,只做了截水沟和表面防护,鉴于该处边坡陡峭,也对洞口处积水坑和坡脚进行了回填反压。从整体山坡看,隧道纵断面显示的仰坡部位综合坡度约为51°(约1∶0.8),但是自然山坡的最陡方向与线路方向的夹角约30°(图1滑坡主轴方向),实际自然坡度接近60°。半坡以上至坡顶段山坡逐渐变缓,坡度约为45°。经施工前坡脚处外露土层调查发现,土层节理发育,倾向西的节理面倾角约为70°,符合黄土地层垂直节理发育的外部特征[5],为山坡失稳提供了先天条件。
2.2 滑坡后基本形态
灾害发生后,经过现场调查发现,整个山坡属于沿一组节理面的整体滑动,从滑坡后壁看整个滑动面沿着约70°的斜面下错,属于错落型滑坡(见图2)。
图2 滑坡全貌
从山坡整体滑塌的形态(图2)判断是隧道出口右侧山坡首先整体失稳,发生滑动后带动了洞口顶部山坡发生了二次滑塌。由于洞口段已经完成隧道的二次衬砌,巨大的下滑力导致洞口段二次衬砌也发生了多条纵向开裂,结构几近毁坏,也直接说明结构瞬间承受了巨大荷载。
2.3 山坡稳定性分析
针对该山坡,分别取沿隧道轴线纵断面和滑坡主断面2个典型断面进行山体原始状态稳定性分析。坡体土体物理力学参数见表1。
表1 坡体土体物理力学参数
本次计算采用刚体极限平衡方法(Morgensten&Price法)并利用边坡工程专业软件Geo⁃Slope的Slope/W软件包进行山体稳定性计算。计算简图见图3。
通过计算得出,该山坡沿隧道轴线纵断面稳定性系数Fs=0.814,沿滑坡主断面稳定性系数Fs=0.570,根据路堑边坡稳定性检算,稳定性系数应不小于1.25,故该山坡属于完全不稳定状态。根据GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》相关规定,确定该山体沿隧道主轴方向和坡体主方向也处于不稳定状态。
图3 稳定性计算简图
2.4 人类活动
1)隧道进洞前调查发现,坡脚部位明显被人为切削而不是设计勘察阶段所见到的原始地表。从后期勘察阶段的卫星图片可以看出,洞口处的原始地貌特别是洞口右侧山坡坡脚较原始设计图已经发生很大的变化。正是由于切削坡脚造成山坡累计变形增大,在其他因素的诱发下发生滑坡,而施工单位对此现象没有引起足够的重视,没有对山坡进行施工前的稳定性评价。
2)由于隧道掘进作业的影响,不可避免地造成坡脚部位地层的松动,加快了坡脚部位土体内力的重分布也是诱发山体滑动的因素之一。
3)由于坡面陡峭,施工单位在施工过程中也疏于对山坡裂缝的详细监控,以至于发展成为突发性地质灾害。
3 滑坡治理
滑坡发生后,设计单位为了对该山坡病害彻底整治,进行了详细的现场调查,结合地形特点,最终提出了大清方并反压隧道右侧不稳定山坡的综合治理方案。治理方案主断面如图4所示。
图4 治理方案主断面(单位:m)
4 滑坡原因分析
隧道工程的仰坡已经发生过各种类型的灾害,从高阳寨到洪亮营,不论是岩质山坡还是土质山坡,一旦边坡失稳则后果都是灾难性的,有些隧道在施工阶段仰坡就失稳,有些是运营阶段才失稳。如果洪亮营的仰坡是运营阶段发生滑坡,尽管首先滑动是线外部分,但影响的是线内,其后果也是不堪设想。为此,从勘察、设计到施工,必须要对仰坡给予足够的重视,并进行严格的稳定性评价并采取切实可行的工程措施。
4.1 勘察设计
勘察设计阶段如果充分论证了隧道仰坡的整体稳定问题,则有了充分的保障。如果勘查阶段对该隧道的仰坡以及相邻边坡进行全面复核,应该会发现稳定性方面存在的不足。对边坡的稳定性评价不能仅针对纵断面,而要对整个山坡进行最危险断面的全面评价。同时在设计文件中要明确提出要求,施工前必须复核地形,若与设计出入较大必须报告相关部门进行处理。
鉴于设计单位专业分工方面的问题,建议设计单位将隧道工程的仰坡部分由路基人员作专项的稳定性评价。
4.2 施工阶段
已有文献对于隧道仰坡的描述都比较简单。赵勇等[11]论述了黄土及黄土隧道修建技术的各个方面,但论述的重点明显偏重于洞内支护设计、开挖工法、变形控制等方面,而没有对黄土隧道的进洞与地形地貌、山坡稳定等的关系进行更深入的论述,同时对仰坡的稳定性分析也侧重于人工仰坡的稳定分析以及边坡的防护措施。Q/CR 9511—2014《铁路黄土隧道技术规范》较全面地提出了黄土隧道洞门选择的注意事项,但是针对具体地形地貌操作性并不强。
施工前应作好隧道工程进洞前审核和仰坡稳定性评价工作,一方面认真核对地形、地貌等地质资料,制定详细的施工方案;另一方面,复核原地形构建有限元模型进行边坡稳定性评价。鉴于有限元模拟结果与量测结果相近,具有较高的可靠性,可考虑以有限元模拟计算数据为依据,结合TB 10601—2009《高速铁路工程测量规范》编制有针对性的边坡稳定性监测方案。在施工过程中作好监测数据分析及稳定性评价,为现场安全施工提供参考,降低黄土隧道洞口施工安全风险。此外,审图要细致,有疑问时要提出来,比如一客运专线的古城岭隧道出口,近60 m高的仰坡设计是1∶1一坡到顶,土质为泥岩和黄土,施工阶段提出疑义后设计单位及时进行了变更处理;而另一条客运专线的国庆山隧道进口的仰坡太高,直到通车后工务部门提出疑问才进行变更,此阶段施工则存在较大的安全风险。
施工监理在施工准备阶段也要认真分析,深刻领会设计意图,仔细审核施工方案,全面研究各重点环节,对仰坡安全性评价也要放到关键环节来进行控制。
4.3 施工质量
尽管该隧道仰坡失稳与洞内施工质量及临时加固质量没有直接的关系,但作为一个统一体,必须重视质量控制,特别是坡脚部位的洞身开挖及支护措施至关重要。应尽量控制开挖变形以有效控制坡脚的松弛,进而确保仰坡的整体稳定性。
5 结语
1)勘察、设计、施工全过程应全面重视隧道仰坡的长期稳定性,彻底清除所有隐患。
2)勘查阶段不仅要评价仰坡部位的山体稳定性,而且要全面考查洞口周边地形地貌并评价其稳定性以及一旦失稳后对线路可能造成的危害。
3)施工进洞前要全面核查地形、地貌,对仰坡以及周边边坡再进行一次全面的稳定性评价,以消除所有影响施工和运营安全的不稳定因素,并且将此过程作为施工方案的一部分列入施工组织设计中。
4)严格执行设计要求,进洞前不乱挖坡脚、不盲目刷坡,及时施作防护及预加固措施,一切准备工作完成后才能正式进洞施工。掘进期间加强对仰坡的变形监测及现场巡查。